Der Synchron-Gleichrichter
mit Operationsverstärker, Komparator
und JFET-Analog-Schalter
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Elektronik-Minikurse
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!) - Hilfe bei Leserfragen.
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!) - Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort von Jochen Zilg
- Autor: Thomas Schaerer Buch 1 Buch 2
Einleitung
Es geht in diesem Elektronik-Minikurs nicht darum grosse Ströme gleichzurichten. Es geht nicht um Netzteile. Mehr zum Thema Gleichrichtergrundlagen für die Netzteilanwendung findet man in den Grundlagen von Patrick Schnabel:
Thematisiert wird hier die Gleichrichtung im Bereich der Signalverarbeitung. Es geht hier stets um kleine Ströme. Im Gegensatz zur Gleichrichtung bei Netzteilen und Netzgeräten spielt im Anwendungsbereich der Signalverarbeitung die Spannungs-Präzision eine wichtige Rolle. Darum nennt man solche Gleichrichterschaltungen oft auch Präzisions- oder Mess-Gleichrichter. Vollweg-Gleichrichterschaltungen dieser Art bestehen in der Regel aus Operationsverstärkern (Opamps), zwei Dioden und einigen Präzisionswiderständen. Bild 1 illustriert zwei solche Schaltungen.
Beide Schaltungen sind Vollweg-Gleichrichter. Die oben abgebildete
Schaltung erzeugt positive und die unten abgebildete negative
Halbwellen. Der einzige Unterschied liegt in der Polaritätsausrichtung
der Dioden D1 und D2. Auf diese Schaltungen wird hier nicht weiter
eingegangen. Wer sich dafür interessiert, informiere sich mit dem Buch
Halbleiter-Schaltungstechnik von U.Tietze und Ch.Schenk unter dem
Kapitel Messschaltungen in Vollweggleichrichter mit geerdetem
Ausgang.
Wer sich Grundlagen und Schaltungstechniken von Operationsverstärkern,
Komparatoren und andern Bauteilen aneignen möchte, empfehle ich die
folgende Seiten des Elektronik-Kompendium von Patrick Schnabel.
Der Synchron-Gleichrichter
Bei einem Synchron-Gleichrichter wird das Vorzeichen des Verstärkers nicht durch die Polarität der Eingangsspannung mittels Dioden umgeschaltet, sondern durch eine Steuerspannung die mit der Eingangsspannung synchronisiert ist. Bild 2 zeigt links die Prinzipschaltung und rechts eine Applikationsmethode, die aber noch vereinfacht werden kann.:
Betrachten wir zuerst die Pinzipschaltung auf der linken Bildseite. V
symbolisiert eine Verstärkerschaltung mit zwei Eingängen. Die Spannung
am Eingang -1 wird mit der Verstärkung -1 multipliziert. Die
Spannung am Eingang +1 wird mit der Verstärkung 1 multipliziert.
KO ist ein Komparator der die Eingangsspannung Ue mit GND vergleicht.
Ist die Eingangsspannung positiv gegenüber GND, schaltet der vom Ausgang
des KO gesteuerten Schalter S auf +1. Verstärker V multipliziert
mit einem Wert von 1. Die Ausgangspannung Ua entspricht der
Eingangsspannung Ue. Ua = Ue. Ist die Eingangsspannung negativ, schaltet
S auf -1 und V multipliziert mit einem Wert von -1. Die
Ausgangsspannung Ua ist ebenfalls positiv. Sie hat den Betrag von
Ua=-Ue*-1. Ua zeigt eine positive Vollweggleichrichtung, genauso
wie Bild 1 oben. Für eine negative Vollweggleichrichtung müssen nur die
Eingänge am Komparator KO vertauscht werden.
Im Schaltbild auf der rechten Seite wollen wir untersuchen wie eine
solche Schaltung real aussehen könnte. Diese Schaltung zeigt sich auf
den ersten Blick recht aufwändig. Dies ist sie auch tatsächlich. Wir
werden später erkennen wie es viel einfacher und eleganter geht. In
Wirklichkeit wird bloss ein Komparator (KO) und ein Opamp
(OV) benötigt. Diese Schaltung soll bloss mit Hilfe von zusätzlichen
Opamps das Prinzip verständlich machen.
Betrachten wir den oberen Teil mit -1. Dieser besteht aus dem
Spannungsfolger mit Verstärkung 1 (OV1) und dem invertierenden
Verstärker mit Verstärkung -1 (OV3). Wenn Ue negativer ist als GND, dann
schaltet S auf -1 und somit auf den oberen Teil. Der Wert der
negativen Spannung an Ue erzeugt an Ua den selben jedoch positiven
Spannungswert. Die Spannung wird mit dem Faktor -1 multipliziert.
Betrachten wir den unteren Teil mit +1. Dieser besteht aus zwei
invertierenden Verstärkern mit je einer Verstärkung von -1 (OV2 und
OV3). Wenn Ue positiver ist als GND, dann schaltet S auf + und
somit auf den unteren Teil. Der Wert der positiven Spannung an Ue
erzeugt an Ua den selben positiven Spannungswert. Die Spannung wird mit
dem Fraktor -1*-1=1 multipliziert.
Die Vereinfachung
Wie bereits angedeutet, kann die Schaltung von Bild 2, die hier auf der
linken Seite in Bild 3 noch einmal wiederholt wird, drastisch
vereinfacht werden. Komparator KO und Schalter S bleiben
selbstverständlich, aber aus drei Opamps wird einer (OV). Wie
funktioniert diese Schaltung?
Natürlich hat Schalter S noch immer die selbe Funktion. Er schaltet die
Polarität im Augenblick des Ue-Nulldurchganges um. Ist Ue negativer als
GND, schaltet S auf -. Dadurch ist der nichtinvertierende Eingang
des OV auf GND geschaltet und OV arbeitet in seiner invertierenden
Grundschaltung. Ua = -Ue. Ist Ue positiver als GND, schaltet S auf
+.
Man muss wissen, dass an einer stark gegengekoppelten Opampschaltung die
Spannung zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Eingang beinahe
Null ist. Dies gilt dann, wenn das Verhältnis zwischen offener und
geschlossener Schlaufenverstärkung (open-loop-gain/closed-loop-gain)
sehr gross ist, wobei dies nur bei relativ niedrigen Frequenzen wirklich
der Fall ist, ausser man verwendet einen Opamp mit einer hohen
sogenannten Unity-Gain-Bandbreite. Wir nehmen an, dies sei hier der
Fall, dann bedeutet dies, dass über R1 (beide Widerstände!) keine
Spannung abfällt. Ua = Ue. Diese Schaltung arbeitet daher exakt gleich
wie die sogenannte Spannungsfolgerschaltung, wie sie mit OV1 im linken
Schaltbild gezeigt wird. Man muss sich bloss vorstellen, dass R1
zwischen Ausgang des OV und seinem invertierenden Eingang einen Wert von
Null Ohm hat. Der Wert des andern R1, zwischen Ue und dem invertierenden
Eingang von OV, ist dabei (fast) irrelavant. Es spielt nämlich jetzt
keine Rolle ob dieser existiert oder nicht.
Beide Widerstände haben die selbe R1-Bezeichnung, weil sie stets den
selben Wert haben müssen und dies möglichst genau! Man sollte also
unbedingt 1%-Widerstände verwenden. Warum? Wenn S auf - steht,
gilt Ua=-Ue*-(R1/R1), also Ua=-Ue*-1. Steht S auf +
arbeitet die Schaltung als Spannungsfolger. Sie ist unabhängig von R1.
Verwendet man für die beiden R1-Widerstände solche mit je einer Toleranz
von 5%, kann die Worstcaseabweichung 10% betragen. Dies wirkt sich
drastisch auf Unterschiede der gleichgerichteten Amplitudenwerte aus.
Das selbe Problem gilt genauso beim Matching der Widerstände in Bild 1,
nur dass es dort noch problematischer ist, weil alle R1- und
R2-Widerstandswerte untereinander gut gematcht sein müssen, soll es eine
Präzisionsgleichrichterschaltung sein.
Praktische Realisierung
Wir kommen nun zur praktischen und einfachen Lösung. Wir müssen jetzt
Schalter S noch realistisch gestalten. Ein elektromechanisches
Relais scheidet wegen seiner viel zu niedrigen Grenzfrequenz aus. In
Frage käme ein sogenannter Analog-Switch. Es geht aber noch einfacher.
Zunächst jedoch ein wichtiger Hinweis:
Wer sich in Sachen Junction-FETs nicht auskennt, möge sich im
Elektronik-Kompendium etwas schlau machen. Mehr dazu liest man
in:
Wir verwenden einen sogenannten selbstleitenden Junction-FET (JFET).
Dies ist ein FET, dessen Drain-Source-Strecke leitet wenn sein Gate
Sourcepotential (hier auch GND-Potential) aufweist. Ist das Gate
negativer als die Source (negativer als GND), ist die
Drain-Source-Strecke offen. Das Gate ist sehr hochohmig wenn es
negativer als die Source des JFET ist. Es fliesst, ausser einem extrem
geringeren Leckstrom, kein Strom. Ist das Gate jedoch positiver als die
Source, dann fliesst oberhalb einer Schwellenspannung von etwa 0.65 V
ein Gatestrom. Dieser Betriebszustand ist im Grunde nicht erlaubt. Im
Grunde, weil wir tun's hier in einem zulässigen Bereich aber trotzdem
wegen einem Vorteil, den wir gleich kennenlernen...
Wenn Ue positiver ist als GND, ist der Ausgang von KO auf -Ub (negative
Betriebsspannung). Dies bedeutet, dass die Drain-Source-Strecke des JFET
offen ist. Über R2 gibt es somit keinen Spannungsabfall. Dies ist exakt
der Zustand des Schalters S wenn dieser auf + liegt (linkes
Schaltbild). OV arbeitet als Spannungsfolger. Ue = Ua. Wenn Ue negativer
ist als GND ist der Ausgang von KO auf +Ub (positive Speisespannung).
Widerstand R3 begrenzt jetzt den Gatestrom auf ein Minimum in der
Grössenordnung von 0.1 bis etwa 1 mA. Dieser geringe Gatestrom reduziert
den Drain-Source-Widerstand des JFET zusätzlich von etwa 200 Ohm auf
etwa 30 Ohm. Damit ist die Drain-Source-Strecke des JFET leitend. R2 und
der Innenwiderstand der Drain-Source-Strecke wirken jetzt als
Spannungsteiler. Da aber R2 einige 100 mal grösser als der
Drain-Source-Widerstand ist, sieht es praktisch so aus, dass der JFET
den nichtinvertierenden Eingang des OV mit GND kurzschliesst und damit
arbeitet OV als invertierender Verstärker, wie bereits beschrieben und
Ua = -Ue.
Die selbe Schaltung noch einmal mit Diagrammen
Auf Grund dessen was wir jetzt wissen, ist dieses Bild selbsterklärend. Man sieht die eingangsseitige Sinuswechselspannung. Unterhalb dieser die synchronisierte Rechteckspannung zwischen den beiden Werten +Ub und -Ub und unterhalb dieser die positiv vollweg-gleichgerichtete Sinus-Halbwellenspannung. Rechts in zwei gestrichelten Rahmen erkennt man zusätzlich die Wirkungsweise des OV für die Erzeugung der beiden Halbwellen.
Lowpower oder schnell, das ist hier die Frage...
Aus der Schaltung in Bild 5 zeigen sich hier gleich fertig
dimensionierte Varianten. Die eine sparsam und langsam, dafür aber
geeignet für Batteriebetrieb und die andere weniger sparsam dafür
schneller. Es kommt also ganz auf die Anwendung an.
Die langsame Version enthält einen Dual-Opamp des Typs
TL062 von Texas-Instruments. Als
Komparator KO dient hier der zweite Opamp OV2. Für niedrige Frequenzen
reicht dies. Auch die einprozentigen Gegenkopplungswiderstände von 15
k-Ohm tragen ihren Teil dazu bei, dass der Batteriestromverbrauch klein
bleibt. Diese Werte darf man durchaus auch noch erhöhen.
Die schnellere Version verwendet einen Komparator des Typs LM319 und als
Opamp wird die schnellere TI-Version, den TL071,
verwendet. Die beiden R1-Widerstände sind ebenfalls etwas niederohmger
angesetzt um den parasitären Effekten, die bei höheren Frequenzen
auftreten, entgegen zu wirken. R4 muss als
Pullup-Widerstand eingesetzt werden, weil dieser
Komparator, wie viele andere auch, einen Openkollektor-Ausgang hat.
Praktischer Einsatz
Bild 7 illustriert in einem Blockschema wie der Snchrongleichrichter benutzt werden kann um eine Wechselspannung auszuwerten. In diesem Beispiel geht es darum ein elektromyographisches Signal (EMG) mittels Hautoberflächenelektroden zu verstärken. Als Verstärker benutzt man einen sogenannten Instrumentationsverstärker. Wie ein solcher Verstärker aufgebaut ist, wie er funktioniert und wie er im Prinzip für elektromedizinische Anwendungen (EMG, ECG) eingesetzt wird, erfährt man in:
- Echter Differenzverstärker I (Weitere Links zum Thema Echter Differenzverstärker von mir, folgen in diesem Elektronik-Minikurs.)
Thomas Schaerer, 26.08.2001 ; 02.12.2002 ; 15.03.2003(dasELKO) ; 18.12.2003 ; 28.12.2005